矿山恒阻大变形抗滑缆索静力拉伸特性实验

陶志刚 尹利洁 张秀莲 吴亚丽 吕 谦

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京 100083)

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矿山恒阻大变形抗滑缆索静力拉伸特性实验

陶志刚1,2尹利洁1,2张秀莲1,2吴亚丽1，2吕 谦1,2

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京 100083)

在抵抗岩体冲击、剪切和能量吸收等诸多方面,具有负泊松比效应的材料比传统意义下的泊松比材料表现出更为优异的性能。因此，针对普通锚索无法抵抗矿山滑坡大变形灾害而发生锚索拉断等问题，研发了具有负泊松比效应的恒阻大变形监测锚索，该缆索集监测-预警-控制功能于一体，具有高恒阻、大变形、超强吸能等特性，已经成功应用于矿山滑坡灾害监控领域。通过现场静力拉拔试验，对3种不同规格恒阻大变形缆索的轴向变形、径向变形和恒阻力进行连续测量，试验结果证明3种不同规格的恒阻大变形监测缆索均具有恒阻吸能特性，当恒阻值分别达到200、500和850 kN时，最大变形量可达2 000 mm，填补了国内外大变形缆索的研究空白。

恒阻大变形缆索 能量吸收 滑坡监测 静力拉伸

滑坡监测预警技术研究是灾害防治的热点问题之一。早期由于装备条件的限制，国内外滑坡监测主要是根据人工观测地表变化特征、地下水水位变化来推断确定其发生的可能性[1-2]。之后，随着时代发展和科技进步，表面位移监测法的一些常规仪器，包括全站仪、经纬仪、钻孔倾斜仪以及新近发展的GPS手机监测等，也逐渐得到应用。上述方法为滑坡灾害监测、预警提供了许多新思路和新技术，取得了许多研究成果。然而，经过大量变形、降雨、渗透压等监测技术的研究和应用，岩土工程师逐渐发现这些监测参量仅仅是滑坡发生的必要条件，不满足滑坡发生的充要条件，不能超前捕捉边坡失稳破坏前的异常征兆信息，及时发出预警信号，提供足够的避险时间。岩土工程师熟知力是运动的根源，潜在滑面上的滑动力才是滑坡发生的充要参量，但是由于边坡滑动力属于天然力学系统范畴，无法直接测量。

2006年，何满潮[3]针对上述问题，研发出第一代基于滑动力变化的滑坡监测预警系统，打破传统变形监测的瓶颈，首次实现了深部滑动力的监测预警，并且进行了工程应用[4-5]。应用结果显示，这套设备对边坡岩体小变形破坏的监测预警效果十分显著，能够提前约20 d发出预警信号，在灵敏度、预警时间、撤离决策等方面明显优于位移监测。然而，该系统无法对大变形滑坡全过程进行监测预警，究其原因是承担力学传输的普通锚索属于小变形材料，当边坡岩体发生大变形而未失稳破坏时，锚索已经被拉断，导致整个监测系统失效。2010年，何满潮[6-8]针对上述问题研发出具有能量吸收特性的滑坡专用恒阻大变形锚索，在外荷载作用下保证2 000 mm恒阻不断，并对第一代滑坡监测预警系统进行了升级改造。

本研究首先介绍了恒阻大变形缆索的结构组成；其次，对其抗滑原理进行深入分析；最后，对恒阻大变形缆索进行静力拉伸试验，总结出3种不同规格恒阻大变形缆索的力学特性和恒阻特性。

1 恒阻大变形缆索研发

1.1 结构组成

恒阻大变形监测缆索主要由恒阻器、钢绞线、锚具和力学传感器组成(图1)，其中，恒阻器包括恒阻套管、恒阻体、挡板、隔板和恒阻充填材料等。

图1 恒阻大变形缆索结构Fig.1 Structure of CRLD cable A—锚具；B—力学传感器；C—常规锚索；D—挡板;E—恒阻充填材料;F—恒阻器；G—外堵头

为了降低应用成本，恒阻大变形监测缆索是在原有锚索的基础上增加了大变形恒阻器，利用6组锥形夹片将恒阻器和常规锚索束体连接。恒阻器使得锚索具有恒阻大变形功能，恒阻器的恒阻按照锚索束体屈服强度的90%～92%进行设计。当锚索上施加的荷载小于或等于恒阻值时，主要通过常规锚索材料的弹性变形来抵抗外加荷载；当锚索上施加的荷载大于恒阻值时，恒阻套管内的锥形体就开始沿着套管内壁产生摩擦滑移，利用恒阻器的结构变形来抵抗外加荷载。通过这种自适应性调节原理，实现了新型能量吸收锚索变形2 m而不发生破断的独特功能。

1.2 力学模型建立

恒阻器力学模型如图2所示。

假设恒阻装置内部不密封，且套管内部空气和恒阻充填材料不可压缩，则恒阻装置运动方程为

图2 恒阻器力学模型Fig.2 Mechanical model of the constant resistance unit

(1)

其中，T为摩擦阻力，

根据达朗贝尔原理，式(1)可以表示为

(2)

(1)静力荷载过程,P=T；

(2)动力荷载过程,P=T-P′。

式(2)表达了滑坡动力学与恒阻大变形缆索在动静荷载条件下的数学与力学基础。通过数学表达，可以得到图3所示的本构关系。图3描述了传统预应力锚索、传统非预应力锚索和恒阻大变形缆索的本构关系曲线，并且根据恒阻大变形缆索的力学特性，分别得到动力条件和静力条件下的本构关系曲线。

图3 恒阻大变形缆索应力应变本构关系Fig.3 Stress-strain constitutive relation of CRLD cable

恒阻大变形缆索在动力条件和静力条件下表现出不同的力学本构特征。在静力条件下，由于力学输入量(外界荷载)保持恒定，恒阻体和恒阻套管内壁发生匀速摩擦滑移，整个变形阶段力学本构曲线表现得非常圆滑，而且弹性阶段、结构变形阶段和极限变形阶段分界点非常显著。在动力条件下，由于力学输入量为冲击荷载，恒阻体和恒阻套管内壁发生冲击摩擦滑移，整个变形阶段本构曲线表现出波动特征，但是3个阶段的总体趋势与静力条件下的力学本构特征保持一致，仍表现出显著的恒阻特性。

1.3 抗滑原理

图4为恒阻大变形缆索在边坡监控3个不同阶段的工作原理示意图。

图4 恒阻大变形缆索抗滑原理Fig.4 Slide resistance principle of CRLD cable

(1)弹性变形阶段。边坡岩体的变形能通过外锚固段(锚墩和锚具)和内锚固段施加到恒阻大变形缆索上。当边坡岩体变形能较小，施加于缆索束体上的轴力小于恒阻大变形缆索的设计恒阻力时，恒阻装置内不发生任何相对移动，此时，恒阻大变形缆索依靠缆索束体材料的弹性变形来抵抗岩体的变形破坏，如图4(a)所示。

(2)结构变形阶段。随着边坡岩体变形能逐渐积累，施加于缆索束体上的轴力大于设计恒阻力时，恒阻装置内的恒阻体沿着套管内壁发生摩擦滑移，在滑移过程中保持恒阻特性，依靠恒阻装置的结构变形来抵抗边坡岩体的变形破坏，如图4(b)所示。

(3)极限变形阶段。边坡岩体经过恒阻大变形缆索材料变形和结构变形后，结构变形量达到极限值，恒阻装置内的恒阻体停止摩擦滑移，恒阻体已经滑体到恒阻套管另一端，变形能得到充分释放。此刻，如果缆索外部荷载小于设计恒阻力值，边坡岩体再次处于相对稳定状态，如图4(c)所示。

2 恒阻大变形缆索的静力拉伸试验

2.1 试验系统

恒阻大变形缆索静力拉伸试验采用自主研发的穿心式液压群锚张拉系统(图5)。该系统的最大拉伸荷载为1 252 kN，最大量程为120 mm，施加荷载速率为0.1～20 kN，施加位移速率为0.5～50 mm/min。由于该系统质量较大，油缸量程较短，所以在试验过程中，设计了简易支架，便于恒阻器安装和拆卸。为了弥补油缸量程较短的缺陷，采用连续张拉的试验方案。分别在恒阻装置两端安装了力学传感器和自动位移计，能够对恒阻大变形缆索轴向拉力和恒阻体位移量实时测量。为了防止力学传感器受偏应力影响产生偏心，必须在恒阻装置和力学传感器之间安装限位板。

图5 力学加载系统Fig.5 Mechanical loading system A—锚具；B—力学加载系统；C—限位板；D—泄油孔；E—进油孔；F—力学传感器；G—自动位移计

2.2 试 件

根据恒阻力大小，研发出3种不同规格的恒阻大变形监测缆索，分别适用于小型滑坡、中型滑坡和大型滑坡的监控需求。本次试验根据恒阻器的几何参数，选择16根3种不同规格的恒阻大变形缆索进行现场静力张拉试验，分别命名为HMS-Ⅰ、HMS-Ⅱ和HMS-Ⅲ。为了减小加工误差对试验结果的影响，每种规格选用同一批次试件进行试验，恒阻装置理论长度为2 000 mm，套筒外径φ133 mm，试件几何参数如表1所示。

表1 恒阻器几何参数

Table 1 Geometrical parameter of theconstant resistance unit mm

2.3 试验过程

试验前，首先将力学传感器套装到恒阻装置外端，放置限位板，安装力学加载系统，使恒阻大变形缆索试件固定在静力拉伸系统一端(如图6)。在恒阻装置另外一端安装自动位移计，测量恒阻体在静力拉伸条件下最大位移量。

图6 静力拉伸实验设计Fig.6 Design of the static pull test

2.4 试验结果分析

图7为16套3种不同规格同一批次恒阻大变形缆索试件静力拉伸试验得到的恒阻力P-变形量X曲线。为了便于观察单个恒阻大变形缆索试件的P-X曲线特征及其恒阻特性，选择Testing11试验曲线进行分析，如图8所示。testing11恒阻大变形缆索在弹性变形阶段的材料变形量x0=34 mm，恒阻阶段的结构变形量约1 905 mm，总变形量达到1 939 mm。Testing11恒阻大变形缆索的峰值恒阻力Pmax=185 kN，谷值恒阻力Pmin=137 kN，恒阻力变化幅值约48 kN。从上述参数可以判断出Testing11恒阻大变形缆索具有恒阻、大变形的特性。

图7 静力拉伸实验曲线Fig.7 Static pull test curves a—testing 1，b—testing 2，c—testing 3,d—testing4,e—testing 5，f—testing 6，g—testing 7，h—testing 8,i—testing 9，j—testing 10，k—testing 11，l—testing 12,m—testing 13，n—testing 14，o—testing 15，p—testing 16

图8 Testing 11试件静力拉伸试验曲线祯Fig.8 Static pull test curve of testing 11

通过对16根3种不同规格恒阻大变形缆索的静力拉伸试验，可以得出：

(1)HMS-1恒阻大变形缆索恒阻力为800 kN，最小值约620 kN，最大值约940 kN，恒阻体平均位移量约1 900 mm。由于恒阻套管内壁存在不可避免的结构缺陷，即使是在静力荷载条件下，恒阻体沿着恒阻套管内壁却发生冲击摩擦滑移，从而使整个变形阶段本构曲线表现出波动特征，与动力条件下的本构关系曲线十分吻合。宏观力学试验曲线，恒阻力基本上维持在800 kN左右，恒阻特性显著，适合于大型软岩边坡的监测和加固。

(2)HMS-2型恒阻大变形缆索恒阻力为470 kN，最小值约400 kN，最大值约570 kN，恒阻体平均位移约1 900 mm；由于恒阻套管管壁较薄，在静力荷载条件下，恒阻套管径向变形较大，最大变形量约6.7 mm，恒阻体沿着恒阻套管内壁发生相对匀速摩擦滑移，整个变形阶段本构曲线表现出相对光滑，与静力条件下的本构关系曲线基本吻合。宏观力学试验曲线，恒阻力基本上维持在500 kN左右，因此，HMS-2型恒阻大变形缆索适应于中型滑坡加固和监测。

(3)HMS-3型恒阻大变形缆索恒阻力为150 kN，最小值约80 kN，最大值约220 kN，恒阻体平均位移约1 900 mm；由于恒阻套管管壁非常薄，在静力荷载条件下，恒阻套管径向变形较大，最大变形量约10 mm，恒阻体沿着恒阻套管内壁发生匀速摩擦滑移，整个变形阶段本构曲线表现出光滑特征，与静力条件下的本构关系曲线十分吻合。宏观力学试验曲线，恒阻力基本上维持在150 kN左右，因此，HMS-3型恒阻大变形缆索适应于小型滑坡加固和监测。

3 结 论

(1)恒阻大变形缆索可通过缆索材料本身的弹性变形和恒阻器相对摩擦滑移产生的结构变形提供足够的变形量，产生越拉越粗的负泊松比特性，借此来吸收边坡岩体滑移产生的变形能，防止锚索被拉断失效。

(2)利用改装后的群锚张拉机对3种不同规格恒阻大变形缆索进行了静力拉伸试验，结果表明在静力拉伸作用下产生滑移拉伸变形的同时保持850 kN左右的恒定阻力，并产生拉伸变形来吸收能量，远远超过传统小变形锚索的极限变形量。

(3)恒阻大变形缆索是一种集软岩边坡加固、防治、监测、预警于一体的新型结构，可以在矿山、水利、交通、国防等领域广泛应用。

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(责任编辑 徐志宏)

Research on the Static Experiments of Large Deformation with Constant ResistanceCable for the Landslide Monitoring in Coal Mine

Tao Zhigang1,2Yin Lijie1,2Zhang Xiulian1,2Wu Yali1,2Lu Qian1,2

(1.StateKeyLaboratoryforGeomechanics&DeepUndergroundEngineering，Beijing100083，China;2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology，Beijing100083，China)

Materials with negative Poisson′s ratio effect including energy absorption than the traditional sense of the Poisson ratio of the material exhibits a more excellent performance in rock shock resistance，shear and many other aspects than the material with the traditional sense of the Poisson ratio.Therefore，in view of the issues that ordinary cable cannot resist the large deformation of soft rock and rock slope anchor breaking，a novel cable with large elongation and constant resistance and also with negative Poisson′s ratio effect has been researched and developed.The cable integrates the functions of monitoring-warning-control，with characteristics of high constant resistance，large deformation，super energy-absorbing，and successfully applied to the mine disaster control field.The axial deformation，radial deformation and constant resistance of large deformation cable with three different specifications of constant resistance were continuously measured.The experimental results show that all these cables have properties of constant resistance and energy absorption.The maximum deformation reaches 2000 mm during the constant resistance up to 200 kN，500 kN and 200 kN.This research fills the gaps in research of large deformation cable at home and abroad.

Large deformation with constant resistance cable，Energy absorbing，Landslide monitoring，Static stretching

2015-08-21

国家自然科学基金项目(编号：41502323)，北京自然科学基金项目(编号：8142032)。

陶志刚(1981—)，男，讲师，博士。

TD76

A

1001-1250(2015)-11-119-05